CN1523465A - 伺服控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供在降低机械特性引起的振动的同时，使往返时的轨迹一致的伺服控制装置。具备：从由FIR滤波单元(3)修正的位置指令信号中，衰减与机械(2)的特性对应的规定的频率成分，计算位置、速度以及扭矩的各前馈信号的机械特性补偿单元(4)；根据位置、速度以及扭矩的各前馈信号驱动机械(2)的反馈补偿单元(5)。用机械特性补偿单元(4)从位置指令信号中衰减与机械(2)的特性对应的规定的频率成分，计算位置、速度以及扭矩的各前馈信号，由此可以降低因机械(2)的特性引起的振动。另外，通过FIR滤波单元(3)容易把轨迹设置成对称形状，因为可以使往返轨迹一致，所以即使反复加工也可以得到没有层差的加工面。

Description

伺服控制装置

技术领域

本发明涉及用电机驱动如工作机械的输送轴和工业机器人的臂那样的负荷机械的伺服控制装置，特别涉及在具有2个以上的轴的机械中进行轨迹控制的伺服控制装置。

背景技术

作为以往的伺服控制装置，为了补偿针对位置和速度等被控制量的指令值的应答延迟而进行前馈控制。例如，对位置指令进行微分求出位置的前馈控制量，在位置循环控制中得到的控制量上加算前馈控制量作为速度指令，把微分位置的前馈控制量得到的速度的前馈控制量，加算在由速度循环控制得到的值上作为电流指令进行伺服控制，由此提高位置控制的应答性(例如下述专利文献1的图1)。

另外，构成针对把由扭矩传递机构、负荷机构以及电动机构成的机械系统近似构成为2惯性共振系统而构成的机械系统模型的模拟控制电路，通过把模拟控制电路的模拟电动机位置、速度以及扭矩作为前馈控制量加算到由位置循环控制以及速度循环控制得到的值上，从而即使在控制对象的刚性低，具有共振特性的情况下也不激起共振，可以提高位置控制的应答性(例如以下专利文献2的图25)。

[专利文献1]

专利第2762364号公报

[专利文献2]

特开2000-92882号公报

以往的伺服控制装置因为如以上那样构成，所以在专利文献1所述的伺服控制装置中，当控制对象的刚性高，可以看作刚体的情况下，可以发挥充分的性能，但当控制对象的刚性低，具有共振特性的情况下，如果要通过实施本方式提高应答性，则因机械共振而在作为被控制量的位置和速度中产生振动，如图13所示存在定位精度和轨迹精度降低的问题。

另外，在专利文献2所述的伺服控制装置中，当控制对象可以看作是2惯性共振系统的情况下，控制对象位置可以始终完全跟随模拟控制电路的位置，可以不激发共振提高应答性，但模拟控制电路构成反馈控制系统，脉冲应答不呈现对称性。由此，即使把对称的轨迹作为指令轨迹而施加，控制对象的应答轨迹也不会对称。因而，如图14所示当改变行进方向使同样形状的指令轨迹反复的情况下，在反复的应答轨迹之间会产生误差。这在反复加工金属模时存在成为在加工面上产生伤痕的原因等问题。

本发明就是为了解决上述那样的问题而提出的，其目的在于可以得到在降低因机械特性引起的振动的同时，使往返时的轨迹一致的伺服控制装置。

本发明的伺服控制装置包含：从由FIR滤波单元修正的位置指令信号中，衰减与驱动对象机械的特性对应的规定的频率成分，计算位置、速度以及扭矩的各前馈信号的机械特性补偿单元；根据位置、速度以及扭矩的各前馈信号，驱动驱动对象机械的反馈补偿单元。

如果采用此发明，因为通过机械特性补偿单元，从位置指令信号中衰减与驱动对象机械的特性对应的规定的频率成分，计算位置、速度以及扭矩的各前馈信号，所以可以降低因驱动对象机械的特性引起的振动。另外，由于把由机械特性补偿单元计算的前馈信号输入反馈补偿单元，因而可以使驱动对象机械位置完全跟随机械特性补偿单元的输入，即，完全跟随FIR滤波单元的输出。进而，因为用FIR滤波单元，容易把轨迹设置为对称形，使往返时的轨迹一致，所以具有即使在继续往返加工的情况下也可以得到没有层差的加工面的效果。

附图说明

图1是展示采用本发明的实施例1的伺服控制装置的方框图。

图2是展示对称的脉冲应答的特性图。

图3是展示本发明的实施例1的伺服控制装置的整体构成图。

图4是展示本发明的实施例1的伺服控制装置的指令轨迹和应答轨迹的特性图。

图5是展示本发明的实施例2的伺服控制装置的方框图。

图6是展示本发明的实施例2的伺服控制装置的指令轨迹和应答轨迹的特性图。

图7是展示本发明的实施例3的伺服控制装置的方框图。

图8是展示5次IIR(无限脉冲响应)滤波器的增益曲线一例的特性图。

图9是展示本发明的实施例3的伺服控制装置的指令轨迹和应答轨迹的特性图。

图10是展示本发明的实施例4的伺服控制装置的方框图。

图11是展示本发明的实施例4的伺服控制装置的指令轨迹和应答轨迹的特性图。

图12是展示本发明的实施例5的伺服控制装置的方框图。

图13是展示以往的伺服控制装置的指令轨迹和应答轨迹的特性图。

图14是展示以往的伺服控制装置的指令轨迹和应答轨迹的特性图。

具体实施方式

实施例1

图1是展示本发明的实施例1的伺服控制装置的方框图，在图中，伺服控制装置1根据位置指令信号驱动控制机械(驱动对象机械)2。

在该伺服控制装置1中，FIR(有限脉冲响应)滤波单元3修正位置指令信号，机械特性补偿单元4从被修正的位置指令信号中，衰减与机械2的特性对应的规定的频率成分，计算位置、速度以及扭矩的各前馈信号，反馈补偿单元5根据计算出的位置、速度以及扭矩的各前馈信号驱动机械2。

另外，FIR滤波单元3由FIR滤波器6构成。

进而，在机械特性补偿单元4中，位置指令计算器7从位置指令信号中衰减机械2的反共振频率成分，计算位置的前馈信号，微分器8微分位置指令信号，速度指令计算器9从由微分器7产生的计算值中衰减机械2的反共振频率成分，计算速度的前馈信号，计算器10在由微分器8微分计算值的同时乘算机械2的总惯性，扭矩指令计算器11从由计算器10产生的计算值中衰减机械2的共振频率成分，计算扭矩的前馈信号。

进而，在反馈补偿单元5中，减法器12从位置前馈信号中减去电机位置信号输出到位置控制器13，位置控制器13求出速度控制信号，加减法器14在加算速度前馈信号和速度控制信号的同时减去电机速度信号并输出到速度控制器15，速度控制器15求出扭矩控制信号，加法器16，加算扭矩的前馈信号和扭矩控制信号，作为电机扭矩指令信号向机械2输出。

机械2由根据电机扭矩指令信号而驱动负荷18的电机17构成。

以下说明动作。

在图1中，位置指令信号由FIR滤波器6平滑化，输出到机械特性补偿单元4。在此，FIR滤波器6由串联连接2个以上的时间常数T_f的移动平均滤波器构成。在此，所谓移动平均滤波器的时间常数，是指在移动平均滤波器的个数上乘以采样周期的值。进而，从要求轨迹精度参数中通过规定的运算计算时间常数T_f，使得应答轨迹满足要求轨迹精度。要求轨迹精度参数有转角通过时的塌角量(应答轨迹在最靠近转角顶点时至转角顶点的距离)，和圆弧内旋转量(应答轨迹的半径相对指令半径的减少量)等。

在机械特性补偿单元4中，首先，把机械特性补偿单元4的输入信号x_r1输入位置指令计算器7，计算位置的前馈信号x_a。位置指令计算器7是使输入信号x_r1中的机械2的反共振频率ω_z的成分衰减后输出的计算器，输入信号x_r1和输出信号x_a之间的关系用下式(1)表示。进而，s是拉普拉斯算子。

[式1]

$x_a\left(s\right)=(1+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_z}^2}{s}^2)x_{r1}\left(s\right)---\left(1\right)$

另外，机械特性补偿单元4的输入信号x_r1在用微分器8微分后，被输入速度指令计算器9，计算速度的前馈信号V_a。速度指令计算器9是衰减输入信号v_r1中的机械2的反共振频率ω_z的成分后输出的计算器，输入信号v_r1和输出信号x_a之间的关系用下式(2)表示。

[式2]

$v_a\left(s\right)=(1+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_z}^2}{s}^2)v_{r1}\left(s\right)---\left(2\right)$

进而，微分器8的输出信号在用计算器10微分并乘以机械2的总惯性J后，被输入扭矩指令计算器11，计算扭矩的前馈信号τ_a。这里所说的总惯性是电机惯性和负荷惯性之和的惯性。扭矩指令计算器11是使输入信号τ_a1中的机械2的共振频率ω_p的成分衰减后输出的计算器，输入信号τ_r1和输出信号τ_a之间的关系用下式(3)表示。

[式3]

${\mathrm{\τ}}_a\left(s\right)=(1+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_p}^2}{s}^2){\mathrm{\τ}}_{r1}\left(s\right)---\left(3\right)$

以下，位置的前馈信号x_a、速度的前馈信号v_a、扭矩的前馈信号τ_a被输入反馈补偿单元5。在反馈补偿单元5中，在减法器12中，从位置前馈信号x_a中减去从机械2输出的电机位置信号x_m并输出到位置控制器13，在位置控制器13中求出速度控制信号v_c。进而，位置控制器13可以是使反馈控制系统稳定的任何构成，但通常使用比例控制器等。另外，在加减法器14中，从加算速度的前馈信号v_a和速度控制信号v_c的值中，减去从机械2输出的电机速度信号v_m并输出到速度控制器15，在速度控制器15中求扭矩控制信号τ_c。进而，速度控制器15可以是使反馈控制系统稳定的任意构成，但通常使用比例、积分控制器等。进而，在加法器16中，加算扭矩的前馈信号τ_a和扭矩控制信号τ_c的值作为电机扭矩指令信号τ_m输出到机械2，驱动电机17。机械2的被设置在电机设置台上的电机17和负荷18通过扭矩传递机构连接，由被安装在电机17上的转动检测器输出电机位置信号x_m以及电机速度信号v_m。在此，电机17发出的扭矩极其迅速地跟随电机扭矩指令信号τ_m。

如果采用这样的构成，因为根据机械2的振动特性，适宜地计算出机械2的负荷位置完全跟随机械特性补偿单元4的输入信号x_r1的位置、速度以及扭矩的前馈信号，并被输出到反馈补偿单元5，所以负荷位置x₁完全跟随机械特性补偿单元4的输入信号x_r1。如果用下式表示它则如下。当可以用2惯性共振系统近似机械2的情况下，电机扭矩指令τ_m和电机位置x_m之间的关系如下式(4)。

[式4]

$x_m\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{Js}}^2}\frac{1+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_z}^2}{s}^2}{1+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_p}^2}{s}^2}{\mathrm{\τ}}_m\left(s\right)---\left(4\right)$

另外，电机位置x_m和负荷位置x₁之间的关系如以下的式(5)。

[式5]

$x_1\left(s\right)=\frac{1}{1+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_z}^2}{s}^2}{x}_m\left(s\right)---\left(5\right)$

另外，电机速度v_m和电机位置x_m之间的关系如下式(6)。

v_m(s)＝sx_m(s)                     (6)

进而，如果把位置控制器13以及速度控制器15的传递函数分别设置为C_p(s)以及C_v(s)，则反馈补偿单元5的输入输出关系可以用以下的式(7)表示。

τ_m(s)＝C_v(s)(C_p(s)(x_a(s)-x_m(S)))

+v_a(s)-v_m(s))+τ_a(s)                (7)

考虑从式(1)到式(5)、式(6)、式(7)的各关系式成立，如果解求本实施例1中的机械特性补偿单元4的输入信号x_r1和机械2的负荷位置x₁之间的关系，则x₁＝x_r1。即，负荷位置x₁完全跟随机械特性修正单元4的输入信号x_r1。因而，从指令位置到负荷位置的应答特性和FIR滤波器6的应答特性相等。

图2是展示对称的脉冲应答的特性图，如果FIR滤波器6的脉冲应答如该图2所示接近对称形，则众所周知因为如果输入对称则输出也对称，所以对于对称的指令轨迹的应答轨迹也对称，在往返同样形状的轨迹时的往返应答轨迹也大致为同样形状。进而，如果FIR滤波器6的脉冲应答是完全对称的形状，即是线性相位FIR滤波器，则对应于对称的指令轨迹的应答轨迹完全对称，使同样形状的轨迹往返时的往返的应答轨迹一致。另外，扭矩的前馈信号τ_r1包含最大4级微分了机械特性补偿单元4的输入信号x_r1的成分，当机械特性补偿单元4的输入信号x_r1未被充分平滑的情况下，考虑到扭矩的前馈信号τ_r1为脉冲状的非常大的值，对机械2有不良影响，但通过把FIR滤波器6的构成设置成移动平均滤波器的2个串联连接，则如果位置指令信号x_r1是在位置控制中经常使用的加速度步进指令，则即使对机械特性补偿单元4的输入信号x_r1进行4级微分，也不会有脉冲状的信号，可以避免扭矩的前馈信号τ_r1包含脉冲状的非常大的成分。另外，因为该FIR滤波器6的脉冲应答是对称形，所以对应于对称的指令轨迹的应答轨迹是完全对称的，使相同形状的轨迹往返时的往返的应答轨迹一致。

进而，FIR滤波器6理想的是如线性相位FIR滤波器那样具有线性相位特性，而即使使用没有线性相位特性的一般的FIR滤波器，因为可以根据过去的有限时间的履历确定输出，所以与使用FIR滤波器以外的滤波器，即IIR(无限脉冲响应)滤波器的情况相比，也具有容易得到对称的应答轨迹的优点。进而，有关FIR滤波器，例如在F.R.克纳著，滤波电路入门(森北出版)等中有详细解释。

以下，用数值模拟展示本实施例1的效果。

图3是展示本发明的实施例1的伺服控制装置的整体构成图，在图中，通过x轴用、y轴用伺服控制装置1a、1b，使用x轴用、y轴用电机17a、17b驱动具有2轴自由度的机械2。

图4是展示本发明的实施例1的伺服控制装置的指令轨迹和应答轨迹的特性图。展示指令轨迹是角度90度的转角形状，应答轨迹是把该指令轨迹的行进方向设置为行进方向A以及行进方向B的情况，即使相同的轨迹反复的情况。假设机械2的共振频率ω_p是300rad/s，反共振频率ω_z是200rad/s。

在图4所示的例子中，应答轨迹与以往的专利文献1比较，可知可以抑制振动，与专利文献2比较可知可以降低往返的应答轨迹的差。如上所述，即使在金属模往返加工时，也可以得到没有伤痕的加工面。

如上所述，如果采用本实施例1，则在机械特性补偿单元4中，可以把机械2看作2惯性共振系统，当可以忽略由机械2的粘性摩擦引起的衰减特性的情况下，通过使用机械2的特性值(共振频率，反共振频率，总惯性)求出位置、速度以及扭矩的前馈信号，可以降低因机械2的特性引起的振动。

另外，通过把由机械特性补偿单元4得到的前馈信号输出到反馈补偿单元5，可以使机械2的位置完全跟随机械特性补偿单元4的输入，即完全跟随FIR滤波单元3的输出。

进而，因为通过FIR滤波单元3容易把轨迹设置成对称形，可以使往返时的轨迹一致，所以即使继续往返加工也可以得到没有层差的加工面。

进而，通过把FIR滤波单元3设置成2级以上的移动平均滤波器，根据要求轨迹精度设定移动平均滤波器的时间常数，在保持轨迹的对称性，避免被输入到反馈补偿单元5中的信号成为大的脉冲形状的信号对机械2有大的冲击的同时，可以把应答轨迹的来自指令轨迹的误差设置在要求轨迹精度以内。

实施例2

图5是展示本发明的实施例2的伺服控制装置的方框图，在图中，1次延迟滤波器21被设置在机械特性补偿单元4中，是根据机械2的衰减常数、反共振频率以及负荷惯性设定时间常数，使得降低由机械2的粘性摩擦引起的衰减特性的影响的单元，修正位置指令信号。

另外，位置指令计算器22从由1次延迟滤波器21修正的位置指令信号中，衰减考虑了因机械2的粘性摩擦引起的衰减特性的机械2的反共振频率成分，计算位置的前馈信号，速度指令计算器23从微分器8的计算值中，衰减考虑了由机械2的粘性摩擦引起的衰减特性的机械2的反共振频率成分，计算速度的前馈信号，扭矩指令计算器24从计算器10的计算值中衰减考虑了由机械2的粘性摩擦引起的衰减特性的机械2的共振频率成分，计算扭矩的前馈信号。

其他的构成和图1相同。

以下说明动作。

在图5中，和上述实施例1的不同之处在于：在用1次延迟滤波器21修正机械特性补偿单元4的输入信号x_r1后，输出到位置指令计算器22以及微分器8这一点，和在位置指令计算器22、速度指令计算器23以及扭矩指令计算机24中，考虑了机械2的衰减特性的构成这一点。

当不能忽视由机械2的粘性摩擦引起的衰减特性的情况下，在上述实施例1所示的构成中，因该特性的原因，在机械特性补偿单元4的输入信号x_r1和负荷位置x₁之间产生相位误差，有不能使负荷位置x₁正确地跟随机械特性补偿单元4的输入信号x_r1的情况。

因而，在1次延迟滤波器21中，设定时间常数，使得可以消除因机械2的粘性摩擦产生的衰减特性引起的机械特性补偿单元4的输入信号x_r1和负荷位置x₁之间的相位误差，修正机械特性补偿单元4的输入信号x_r1用下式(8)表示1次延迟滤波器21的输入信号x_r1和输出信号x_r2之间的关系。

[式8]

$x_{r2}\left(s\right)=\frac{1}{1+2\frac{{\mathrm{\ξ}}_z}{{\mathrm{\ω}}_z}s}{x}_{r1}\left(s\right)---\left(8\right)$

在此，ξ_z用机械的衰减常数c、反共振频率ω_z、负荷惯性J₁表示成下式(9)。

[式9]

${\mathrm{\ξ}}_z=\frac{c}{{2\mathrm{\ω}}_z{J}_1}---\left(9\right)$

另外，位置指令计算器22是使考虑了由1次延迟滤波器21修正的输入信号x_r2中的机械2的衰减特性的机械2的反共振频率ω_z的成分衰减后输出的计算器，用下式(10)表示输入信号x_r2和输出信号x_a之间的关系。

[式10]

$x_a\left(s\right)=(1+2\frac{{\mathrm{\ξ}}_z}{{\mathrm{\ω}}_z}s+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_z}^2}{s}^2)x_{r2}\left(s\right)---\left(10\right)$

另外，速度指令计算器23是使考虑了输入信号v_r1中的机械2的衰减特性的机械2的反共振频率ω_z的成分衰减后输出的计算器，用下式(11)表示输入信号v_r1和输出信号v_a之间的关系。

[式11]

$v_n\left(s\right)=(1+2\frac{{\mathrm{\ξ}}_z}{{\mathrm{\ω}}_z}s+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_z}^2}{s}^2)v_{r1}\left(s\right)---\left(11\right)$

进而，扭矩指令计算器24是使考虑了输入信号τ_r1中的机械2的衰减特性的机械2的共振频率ω_p的成分衰减后输出的计算器，用下式(12)表示输入信号τ_r1和输出信号τ_a之间的关系。

[式12]

${\mathrm{\τ}}_n\left(s\right)=(1+2\frac{{\mathrm{\ξ}}_p}{{\mathrm{\ω}}_p}s+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_p}^2}{s}^2){\mathrm{\τ}}_{r1}\left(s\right)---\left(12\right)$

在此，衰减比ξ_z用机械的衰减常数c、反共振频率ω_z、负荷惯性J₁、电机惯性J_m表示成下式(13)。

[式13]

${\mathrm{\ξ}}_p=\frac{c}{{2\mathrm{\ω}}_p}(\frac{1}{J_m}+\frac{1}{J_1})---\left(13\right)$

如果采用这样的构成，则即使机械2具有因粘性摩擦等产生的衰减特性的情况下，负荷位置x₁也完全跟随机械特性补偿单元4的输入信号x_r1。如果用公式表示它则如下。当机械2可以用2惯性系统近似并具有衰减特性的情况下，电机扭矩指令信号τ_m和电机位置x_m之间的关系如下式(14)。

[式14]

$x_m\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{Js}}^2}\frac{1+2\frac{{\mathrm{\ξ}}_z}{{\mathrm{\ω}}_z}s+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_z}^2}{s}^2}{1+2\frac{{\mathrm{\ξ}}_p}{{\mathrm{\ω}}_p}s+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_p}^2}{s}^2}{\mathrm{\τ}}_m\left(s\right)---\left(14\right)$

另外，电机位置x_m和负荷位置x₁之间的关系如下式(15)。

[式15]

$x_1\left(s\right)=\frac{1+2\frac{{\mathrm{\ξ}}_z}{{\mathrm{\ω}}_z}s}{1+2\frac{{\mathrm{\ξ}}_z}{{\mathrm{\ω}}_z}s+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_z}^2}{s}^2}{x}_m\left(s\right)---\left(15\right)$

另外，电机速度v_m和电机位置x_m之间的关系以及反馈补偿单元5的输入输出关系，和上述实施例1一样，分别用式(6)以及式(7)表示。考虑式(6)以及式(7)、从式(8)到式(15)的各关系式成立，如果求解本实施例2中的机械特性补偿单元4的输入信号x_r1和机械2的负荷位置x₁之间的关系，则为x₁＝x_r1。即，负荷位置x₁完全跟随机械特性补偿单元4的输入信号x_r1。因而，从指令位置到机械2的负荷位置的应答特性与FIR滤波器6的应答特性一致，可以得到对称但不激起振动的应答轨迹。

以下，用数值模拟展示本实施例2的效果。

图6是展示本发明的实施例2的伺服控制装置的指令轨迹和应答轨迹的特性图，图6(a)是用本实施例2的伺服控制装置驱动具有x轴、y轴这2个自由度的机械时的指令轨迹和应答轨迹，图6(b)是上述实施例1的指令轨迹和应答轨迹。指令轨迹是角度90度的转角的形状，假设机械2的共振频率ω_p是300rad/s，反共振频率ω_z是200rad/s。进而，假设衰减比ξ_p是0.2。

在图6所示的例子中，当在机械2中有衰减特性的情况下，通过使用采用本实施例2的伺服控制装置，与使用上述实施例1的伺服控制装置的情况相比，知道可以抑制应答轨迹的振动。

如上所述，如果采用本实施例2，则在位置指令计算器22、速度指令计算器23以及扭矩指令计算器24中，使考虑了机械2的粘性摩擦的衰减特性的机械2的反共振频率成分或者共振频率成分衰减，在1次延迟滤波器21中，通过设定时间常数，使得可以消除机械特性补偿单元的输入信号x_r1和负荷位置x₁之间的相位误差，修正输入的位置指令信号，从而当把机械2看作2惯性共振系统的情况下，即使在机械2具有因粘性板擦产生的衰减特性的情况下，也可以不激起机械共振地使负荷位置完全跟随机械特性补偿单元4的输入，即FIR滤波单元3的输出。

实施例3

图7是展示本发明的实施例3的伺服控制装置的方框图，在图中，5次IIR滤波器(n次滤波器)31被设置在机械特性补偿单元4中，具有所希望的频率截止特性，修正位置指令信号。

其他构成和图1相同。

以下说明动作。

在图7中，和上述实施例1的不同之处在于：在用5次IIR滤波器31修正机械特性补偿单元4的输入信号x_r1后，输出到位置指令计算器7以及微分器8这一点。5次IIR滤波器31例如假设其构成用下式(16)表示。

[式16]

$x_{r2}\left(s\right)=\frac{1}{(1+\frac{1}{K_1}s)(1+\frac{1}{K_2}s)(1+\frac{1}{K_3}s)(1+\frac{1}{K_4}s)(1+\frac{1}{K_5}s)}{x}_{r1}\left(s\right)---\left(16\right)$

在此，K₁至K₅是表示确定IIR滤波器31的频率截止特性的顶点的参数。

图8是展示5次IIR滤波器的增益曲线的一例的特性图。作为一例，如展示K₁＝K₂＝K₃＝K₄＝K₅＝1000时的5次IIR滤波器31的增益曲线，则如图8所示，可知可以屏蔽比400rad/s附近还高的频率区域。

如果采用这样的构成，则即使在机械2不能用2惯性系统近似，在比共振频率ω_p还高的频率区域中存在另一共振点的情况下，因为用5次IIR滤波器31屏蔽该共振点附近的频率成分，所以可以降低应答轨迹的振动。另外，即使在由于在位置指令信号中包含高频干扰，而在应答轨迹中产生振动的情况下，因为可以用5次IIR滤波器31屏蔽包含在位置指令信号中的高频区域的成分，所以可以降低应答轨迹的振动。

以下，用数值模拟展示本实施例3的效果。

图9是展示本发明的实施例3的伺服控制装置的指令轨迹和应答轨迹的特性图，图9(a)是用本实施例3的伺服控制装置驱动了具有x轴、y轴这2个自由度的机械时的指令轨迹和应答轨迹，图9(b)是上述实施例1的指令轨迹和应答轨迹。指令轨迹是角度90度的转角形状，机械2的共振频率ω_p假设是300rad/s，反共振频率ω_z假设是200rad/s。进而假设在1000rad/s中有第2共振频率，在700rad/s中具有第2反共振频率的机械。

在图9所示的例子中，则即使在不能用2惯性系统近似机械2，具有第2共振频率、第2反共振频率的情况下，通过使用本实施例3的伺服控制装置，与使用了上述实施例1的伺服控制装置的情况相比，可知可以抑制应答轨迹的振动。

如上所述，如果采用本实施例3，则在机械特性补偿单元4中，具备具有所希望的频率截止特性的5次IIR滤波器31，通过用该5次IIR滤波器31修正输入的位置指令信号，可以降低存在包含在位置指令信号中的干扰、作为机械特性补偿单元4的参数的机械2的共振频率、在比反共振频率还高的频率区域上存在另一共振点以及反共振点的情况下给予应答轨迹的不良影响。

进而，在本实施例3中，设置具有5个所希望的顶点的5次IIR滤波器31，但也可以设置1次以上的任何IIR滤波器。

实施例4

图10是展示本发明的实施例4的伺服控制装置的方框图，在图中，把直接输入到机械特性补偿单元4中的位置指令信号作为位置的前馈信号输出到减法器12，微分器8微分位置指令信号计算速度的前馈信号并输出到加减法器14，计算器10在由微分器8微分计算值的同时乘以机械2的总惯性，振动抑制滤波器41从计算器10的计算值中衰减机械2的共振频率成分，放大反共振频率成分，计算扭矩的前馈信号，输出到加法器16。

其他构成和图1相同。

以下说明动作。

在图10中，直接被输入到机械特性补偿单元4中的位置指令信号x_r作为位置的前馈信号x_a输出到反馈补偿单元5。另外，位置指令信号由微分器8微分，作为速度的前馈信号v_a输出到反馈补偿单元5。进而，微分器8的计算值由计算器10微分并乘以机械2的总惯性后，输出到振动抑制滤波器41，振动抑制滤波器41的输出信号作为扭矩的前馈信号τ_a输出到反馈控制单元5。反馈补偿单元5以及机械2的构成和动作与上述实施例1相同。

以下，说明振动抑制滤波器41。振动抑制滤波器41中的输入信号τ_r1和输出信号τ_a的关系用机械2的共振频率ω_p和机械2的反共振频率ω_z以式(17)表示。

[式17]

${\mathrm{\τ}}_a\left(s\right)=\frac{1+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_p}^2}{s}^2}{1+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_z}^2}{s}^2}{\mathrm{\τ}}_{r1}\left(s\right)---\left(17\right)$

这样从计算器10的计算值中衰减机械2的共振频率成分，放大反共振频率成分。

如果采用这样的构成，则可以以更简单的构成谋求降低机械振动。另外，对于机械2，当虽然电机17和负荷18之间的刚性高但电机17和电机设置台之间的刚性低，机械振动是由电机17和电机设置台之间的共振以及反共振引起的情况下，由该共振以及反共振引起的振动成分被振动减低滤波器41去除，负荷位置x₁完全跟随位置指令信号x_r。

如果用公式表示它则如下。对于机械2，当可以用电机17和负荷18之间的刚性高，电机17和电机设置台之间的刚性低这种模式近似的情况下，电机扭矩指令信号τ_m和电机位置x_m之间的关系变为以下的式(18)。

[式18]

$x_m\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{Js}}^2}\frac{1+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_z}^2}{s}^2}{1+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_p}^2}{s}^2}---\left(18\right)$

另外，电机位置x_m和负荷位置x₁之间的关系如下式(19)。

x₁(s)＝x_m(s)                      (19)

另外，电机速度v_m和电机位置x_m之间的关系以及反馈补偿单元5的输入输出关系和上述实施例1相同，分别可以用式(6)以及式(7)表示。考虑式(6)以及式(7)、从式(17)至(19)的各关系式成立，如果求解在本实施例4中的位置指令信号x_r和机械2的负荷位置x₁之间的关系，则为x₁＝x_r。即，负荷位置x₁完全跟随位置指令信号x_r。因而，可以有效地抑制机械振动。

以下用数值模拟展示本实施例4的效果。

图11是展示本发明的实施例4的伺服控制装置的指令轨迹和应答轨迹的特性图，是展示驱动具有x轴、y轴这2个轴自由度的机械2时的指令轨迹和应答轨迹的图。指令轨迹是角度90度的转角的形状，展示了应答轨迹把该指令轨迹的行进方向设置为图14的行进方向A以及行进方向B的情况，即使相同形状的轨迹往返的情况。另外，假设对于机械2，电机17和负荷18之间的刚性充分高，但电机17和电机设置台之间的刚性低。机械2的共振频率ω_p假设是300rad/s，反共振频率ω_z假设是200rad/s。

在图11所示的例子中，对于应答轨迹在机械2中即使电机17和电机设置台之间的刚性低，也可知通过使用本实施例4的伺服控制装置，与以往例子比较可以抑制应答轨迹的振动和往返的应答轨迹的差。

如上所述，如果采用本实施例4，则在振动抑制滤波器41中，由于从计算器10的计算值中衰减机械2的共振频率成分，放大反共振频率成分，计算扭矩的前馈信号，从而可以以比上述实施例1还简单的结构得到振动抑制效果。特别是在因机械2的电机17和电机设置台之间的刚性低引起振动的情况下，可以抑制机械2的振动。

实施例5

图12是展示本发明的实施例5的伺服控制装置的方框图，在图中，位置指令修正单元51被设置在FIR滤波单元3和机械特性补偿单元4之间，具有降低由FIR滤波器6以及5次IIR滤波器31产生的、这些滤波器的截止频率以下的低频率区域的增益下降的影响的特性，修正位置指令信号。

另外，模拟位置控制循环电路52根据位置前馈信号和速度前馈信号进行模拟反馈补偿单元5的运算，计算模拟速度信号，扭矩修正信号计算单元53根据模拟速度信号的符号变化计算扭矩修正信号输出到加法器16。

进而，在模拟位置控制电路52中，减法器54，从位置前馈信号中减去模拟位置信号输出到第2位置控制器55，第2位置控制器55，进行和位置控制器13同样的计算后输出到加法器56，加法器56，加算第2位置控制器55的输出和速度前馈信号求模拟速度信号，积分器57，积分模拟速度信号求模拟位置信号。

其他构成和图7相同。

以下说明动作。

在图12中，和上述实施例3的不同之处在于：在用位置指令修正单元51修正FIR滤波单元3的输出信号后输出到机械特性补偿单元4这一点，和把位置的前馈信号和速度的前馈信号输出到模拟位置控制电路52中，求解模拟速度信号，把模拟速度信号输入到扭矩修正信号计算单元53计算扭矩修正信号后加算在电机扭矩指令信号上这一点。

FIR滤波器6以及5次IIR滤波器31使指令平滑化，防止对反馈补偿单元5的输入信号变为大的脉冲形状从而对机械2产生不良影响，屏蔽包含在位置指令信号中的高频区域的成分，可以降低应答轨迹的振动，但都是低通滤波器，越到高频区域增益越低。这些滤波器即使在截止频率以下的低频率区域中也存在增益的稍微下降，由于此原因，在圆弧指令时有时应答轨迹的半径比指令轨迹的半径还小。

因而，在位置指令修正单元51中，修正位置指令信号，使得用FIR滤波器6以及5次IIR滤波器31生成的增益降低的影响减小。位置指令修正单元51的输入信号x_r1和输出信号x_r11之间的关系可以用以下的式(20)表示。

x_r11(s)＝(1+αs)x_r1                 (20)

这里，α是加减修正量的参数，设定为从位置指令信号x_r到5次IIR滤波器31的输出x_r2的低频区域的增益降低为所希望的值以下。

另外，当在电机17中摩擦力起作用的情况下，在电机17的旋转方向反转时产生跟随延迟，在指令轨迹和应答轨迹之间产生误差。这种情况下，在电机速度的符号变化时，通过向扭矩指令付予修正指令可以消除跟随延迟。但是，在电机速度信号的符号变化时付予修正指令的方式中，在电机17停止时，即使因施加在电机17和负荷18上的一点干扰而电机速度信号的符号变化的情况下，也看作电机17的旋转方向反转付予修正指令，这是不理想的。

因而，在模拟位置控制循环单元52中，根据位置的前馈信号和速度的前馈信号进行模拟了反馈补偿单元5的计算，计算模拟速度信号输出到信号计算单元53。在模拟位置控制电路单元52中，通过减法器54从位置前馈信号中减去模拟位置信号，输出到第2位置控制器55，第2位置控制器55进行和位置控制器13同样的计算并输出到加法器56，加法器56加算第2位置控制器55的输出和速度前馈信号，求出模拟速度信号，积分器57积分模拟速度信号，求出模拟位置信号。扭矩修正信号计算单元53根据模拟速度信号的符号变化，计算扭矩修正信号输出到加法器16。进而，扭矩修正信号使用预先测定了电机17的方向反转时的扭矩变化的信号。

如上所述，如果采用本实施例5，因为通过位置指令修正单元51，修正由FIR滤波器6和5次IIR滤波器31产生的低频区域的增益降低，所以在圆弧指令时应答轨迹的半径不会比指令轨迹的半径小，可以减小指令轨迹和应答轨迹之间的误差。

另外，在模拟位置控制电路52中，根据位置的前馈信号和速度的前馈信号计算模拟速度信号，在扭矩修正信号计算单元53中，通过根据模拟速度信号的符号变化计算扭矩修正信号并加算到电机扭矩指令信号上，消除在电机17的旋转方向反转时的跟随延迟，可以减小指令轨迹和应答轨迹间的误差。

进而，在本实施例5中，说明了包含位置指令修正单元51和模拟位置控制循环单元52以及扭矩修正信号计算单元53的构成，但也可以是只包含这些中的位置指令修正单元51，或者只包含模拟位置控制循环单元52以及扭矩修正信号计算单元53的构成。

进而，在本实施例5中，说明了在FIR滤波单元3和机械特性补偿单元4之间设置位置指令修正单元51的情况，但也可以设置在FIR滤波单元3的前面和机械特性补偿单元4的后边。

进而，在本实施例5中，说明了把扭矩修正信号加算到电机扭矩指令信号上的情况，但也可以是加算到扭矩的前馈信号上。另外，速度控制器15是进行比例积分控制的控制器的情况下，可以把扭矩修正信号加算到速度控制器15的积分项中。

进而，在以上说明中说明了在反馈补偿单元5的输入是位置、速度、扭矩的情况，但也可以代替扭矩输入加速度。在这种情况下，通过把上述各实施例中的计算器10置换为只进行微分的计算器，可以得到同样的效果。或者，可以代替扭矩输入电流。在这种情况下，通过把在上述各实施例中的计算器10中乘算的值置换为用电机17的扭矩常数除机械2的总惯性的值，可以得到同样的效果。

另外，在以上的说明中说明了电机17以旋转型产生扭矩的情况，但也可以如线性电机那样得到推力。在这种情况下，通过把在上述各实施例中的惯性置换为质量，把扭矩置换为推力，可以得到同样的效果。

进而，在以上说明中说明了进行位置控制的情况，但也可以是速度控制的情况。在速度控制的情况下，在上述各实施例中通过除去位置的反馈循环和位置的前馈信号可以得到同样的效果。

进而，在上述各实施例中，在位置指令计算单元、速度指令计算单元、扭矩指令计算单元中，可以是乘以由离散化产生的无用时间和由于针对控制对象的微小模式误差进行调整的调整系数。或者，在微分器8以及计算器10中乘以同样的调整系数。

进而，在上述各实施例中，机械特性补偿单元4如果从输入到输出的传递函数不同则各构成要素的顺序等也可以不同。例如，可以通过微分位置的前馈信号x_a求得速度前馈信号v_a。

进而，在上述各实施例中，也可以用模拟微分(在此次值和上次值的差上乘以采样周期的倒数来计算近似微分值)置换微分。

进而，从上述实施例1至3中，可以改变FIR滤波单元3和机械特性补偿单元4的顺序。即，可以把位置指令信号输入到机械特性补偿单元4，把各输出分别输入FIR滤波单元3，求解位置、速度以及扭矩的前馈信号。

Claims (9)

1.一种伺服控制装置，其特征在于包括：

修正位置指令信号的FIR滤波单元；

从由上述FIR滤波单元修正的位置指令信号中，衰减与驱动对象机械的特性对应的规定的频率成分，计算位置、速度以及扭矩的各前馈信号的机械的特性补偿单元；

根据由上述机械特性补偿单元计算的位置、速度以及扭矩的各前馈信号，驱动上述驱动对象机械的反馈补偿单元。

2.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于：

机械特性补偿单元包含：

从位置指令信号中衰减驱动对象机械的反共振频率成分，计算位置的前馈信号的位置指令计算器；

微分位置指令信号的微分器；

从基于上述微分器的计算值中衰减上述驱动对象机械的反共振频率成分，计算速度的前馈信号的速度指令计算器；

在对基于上述微分器的计算值进行微分的同时，乘以上述驱动对象机械的总惯性的计算器；

从基于上述计算器的计算值中衰减上述驱动对象机械的共振频率成分，计算扭矩的前馈信号的扭矩指令计算器。

3.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于：

机械特性补偿单元包含：

根据该驱动对象机械的衰减常数、反共振频率数以及负荷惯性设定时间常数，使得降低由于驱动对象机械的衰减特性产生的影响，修正位置指令信号的1次延迟滤波器；

从由上述1次延迟滤波器修正的位置指令信号中衰减考虑了上述驱动对象机械的衰减特性的反共振频率成分，计算位置的前馈信号的位置指令计算器；

微分由上述1次延迟滤波器修正的位置指令信号的微分器；

从基于上述微分器的计算值中衰减考虑了上述驱动对象机械的衰减特性的反共振频率成分，计算速度的前馈信号的速度指令计算器；

在对基于上述微分器的计算值进行微分的同时，乘以上述驱动对象机械的总惯性的计算器；

从基于上述计算器的计算值中衰减考虑了上述驱动对象机械的衰减特性的共振频率成分，计算扭矩的前馈信号的扭矩指令计算器。

4.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于：

FIR滤波装置由2级以上的移动平均滤波器组成，根据要求轨迹精度设定这些移动平均滤波器的各时间常数。

5.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于：

机械特性补偿单元具备具有所希望的频率截止特性，修正位置指令信号的n次滤波器(n是任意的自然数)。

6.一种伺服控制装置，其特征在于包括：

微分位置指令信号，计算速度的前馈信号的微分器；

在对基于上述微分器的计算值进行微分的同时，乘以上述驱动对象机械的总惯性的计算器；

从上述计算器的计算值中衰减驱动对象机械的共振频率成分，放大反共振频率成分，计算扭矩的前馈信号的振动抑制滤波器；

根据位置指令信号、由上述微分器计算的速度的前馈信号以及由上述振动抑制滤波器计算的扭矩的前馈信号，驱动上述驱动对象机械的反馈补偿单元。

7.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于：具备位置指令修正单元，它修正位置指令信号，使得由FIR滤波单元产生的增益下降的影响减小。

8.根据权利要求7所述的伺服控制装置，其特征在于：

位置指令修正单元把位置指令信号的微分值的系数倍加算到该位置指令信号上作为修正后的位置指令信号。

9.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于具备：

根据由机械特性补偿单元计算出的位置以及速度的各前馈信号，计算模拟速度信号的模拟位置控制循环单元；

根据由上述模拟位置控制循环单元计算出的模拟速度信号的符号变化，计算驱动对象机械的方向反转时的扭矩修正信号，用该扭矩修正信号修正由上述机械特性补偿单元计算出的扭矩的前馈信号的扭矩修正信号计算单元。

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